CN108282109B - 一种压电式振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式振动能量采集器，包括压电悬臂梁和质量块，压电悬臂梁包括振动板、回旋结构和固定板，质量块设置在振动板上；回旋结构的一端连接到振动板，另一端连接到固定板；回旋结构与振动板之间形成封闭槽。本发明可提供更高的输出电压和输出功率以及更低的匹配阻抗，可为无线传感网络节点、嵌入式传感器或微型电子产品等外部设备进行更长时间的供电，同时可降低采集器结构的谐振频率且拓宽其有效工作带宽，更加适用于人体振动能量采集系统。

Description

一种压电式振动能量采集器

技术领域

本发明涉及振动能量采集领域，尤其是一种压电式振动能量采集器。

背景技术

近些年来国内外学者在振动能量采集领域上取得了很大进步，已设计出微型化采集装置并广泛应用到实际生活之中，比如申请号为201610821858.3的中国专利即公开了一种振动能量采集器，虽然可以实现振动能量的采集，但其压电悬臂梁的结构紧密度不高，使得振动的输出电压和输出功率不高，可以为无线传感网络节点、嵌入式传感器或微型电子产品供电的时间较短。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种压电式振动能量采集器，设计合理，与传统技术相比，在压电悬臂梁占据同等面积以及进行同等振动的情况下，具有更高的输出电压和输出功率，因此可为外部设备进行更长时间的供电。

为了弥补现有技术的不足，本发明采用的技术方案是：

一种压电式振动能量采集器，包括压电悬臂梁和质量块，压电悬臂梁包括振动板、回旋结构和固定板，质量块设置在振动板上；回旋结构的一端连接到振动板，另一端连接到固定板；回旋结构与振动板之间形成封闭槽。

进一步，回旋结构包括第一回旋板、第二回旋板和第三回旋板，第一回旋板、第二回旋板和第三回旋板依次紧贴向外延伸设置；第一回旋板的一端连接到振动板，另一端连接到第二回旋板的一端，第二回旋板的另一端连接到固定板和第三回旋板的一端，第三回旋板的另一端连接到固定板。

进一步，第一回旋板包括第一接触板、第一转接板和第二接触板；第一接触板连接到振动板且通过第一转接板连接到第二接触板，第二接触板连接到第二回旋板的一端；第一接触板和第二接触板互相平行且均垂直于第一转接板。

进一步，第二回旋板包括第二转接板、第三接触板、第三转接板和第四接触板；第二转接板分别连接到第二接触板和第三接触板，第三接触板通过第三转接板连接到第四接触板，第四接触板连接到固定板和第三回旋板的一端；第二转接板和第三转接板互相平行，第三接触板和第四接触板互相平行且均垂直于第二转接板。

进一步，第三回旋板包括第四转接板、第五接触板、第五转接板和第六接触板；第四转接板分别连接到第四接触板和第五接触板，第五接触板通过第五转接板连接到第六接触板，第六接触板连接到固定板；第四转接板和第五转接板互相平行，第五接触板和第六接触板互相平行且均垂直于第四转接板。

进一步，本发明还包括金属基片，压电悬臂梁设置有两根，金属基片通过导电胶紧贴设置在两根压电悬臂梁之间。

进一步，本发明还包括用于固定压电悬臂梁的固定底座，固定底座设置在固定板之上。

优选地，金属基片为铜制基片。

优选地，质量块为永磁铁。

优选地，压电悬臂梁为PZT压电陶瓷片。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种压电式振动能量采集器，设计合理，对其压电悬臂梁施加外力，则由于压电效应其会产生电流，配上质量块，压电悬臂梁的振动时间和幅度会不断增大，因此能够持续产生电能，尤其采用回旋结构，与传统技术相比，其与振动板之间的封闭槽更小，也即在压电悬臂梁占据同等面积以及进行同等振动的情况下，由于振动面积更广，故具有更高的输出电压和输出功率以及更低的匹配阻抗，因此可为无线传感网络节点、嵌入式传感器或微型电子产品等外部设备进行更长时间的供电；并且根据申请人的实验可得，本发明能够降低采集器结构的谐振频率且拓宽其有效工作带宽，更加适用于人体振动能量采集系统。

附图说明

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的实施方案。

图1是本发明的振动能量采集器的俯视图；

图2是本发明的振动能量采集器的侧视图；

图3是本发明在0-100Hz内的输入机械功率、输出电压和输出电荷功率的曲线图；

图4是本发明在10-20Hz内的输入机械功率、输出电压和输出电荷功率的曲线图；

图5是本发明在一阶谐振频率16.43Hz下的阻抗匹配仿真图。

具体实施方式

参照图1及图3-图5，本发明的一种压电式振动能量采集器，包括压电悬臂梁A和质量块2，压电悬臂梁A包括振动板1、回旋结构和固定板7，质量块2设置在振动板1上；回旋结构的一端连接到振动板1，另一端连接到固定板7；回旋结构与振动板1之间形成封闭槽9。

其中，回旋结构包括第一回旋板3、第二回旋板4和第三回旋板5，第一回旋板3、第二回旋板4和第三回旋板5依次紧贴向外延伸设置；第一回旋板3的一端连接到振动板1，另一端连接到第二回旋板4的一端，第二回旋板4的另一端连接到固定板7和第三回旋板5的一端，第三回旋板5的另一端连接到固定板7。

具体地，在本实施例中，质量块2为永磁铁，长宽高为2mm、4mm和8mm；压电悬臂梁A为一体成型的PZT压电陶瓷片，压电系数高，厚度为0.2mm；相比传统技术，本发明只开了一个封闭槽9，保持了本发明整体结构的完整性，同时只开一个槽也方便工业上的激光切割生产，省去了开多槽的复杂工序；对压电悬臂梁A施加外力，则由于压电效应其会产生电流，配上质量块2，压电悬臂梁A的振动时间和幅度会不断增大，因此能够持续产生电能，尤其是采用回旋结构，与传统技术相比，其与振动板之间的封闭槽更小，也即在压电悬臂梁A占据同等面积以及进行同等振动的情况下，由于振动面积更广，故具有更高的输出电压和输出功率，因此可为无线传感网络节点、嵌入式传感器或微型电子产品等外部设备进行更长时间的供电。

由于人体的振动频率一般在几十以内，属于一个相对比较低的频带，而现有的振动能量采集结构基本上的谐振频率都为几百赫兹，远远大于人体的振动频率，并且可用频带带宽都太窄，因而不太实用；参照图3-图5，利用COMSOL Multiphysics 5.2a多物理场仿真软件来对本发明的采集器进行建模、网格划分、频域分析和阻抗匹配，在0-100Hz内进行考虑，恰好符合人体的振动情况，根据申请人的实验可得：在0-100Hz频率内本发明一共有五个谐振频率点，分别位于10-20Hz、20-30Hz、40-50Hz、50-60Hz和60-70Hz的区间内，因此本发明的谐振频率更低，在低频带内的谐振频率点大大增多；同时，在图4中，一阶谐振频率为16.43Hz，此时的输出电压为80V，输出电荷功率为230mW，该谐振频率已大大接近人体的振动频率；如图5，优选地，在16.43Hz的振动频率下，最佳匹配阻抗为4KΩ，此时的输出电荷功率为450mW，输出电压为230V。因此，本发明具有更低的匹配阻抗，能够降低采集器结构的谐振频率且拓宽其有效工作带宽，更加适用于人体振动能量采集系统。

其中，参照图1，第一回旋板3包括第一接触板31、第一转接板32和第二接触板33；第一接触板31连接到振动板1且通过第一转接板32连接到第二接触板33，第二接触板33连接到第二回旋板4的一端；第一接触板31和第二接触板33互相平行且均垂直于第一转接板32。

第二回旋板4包括第二转接板41、第三接触板42、第三转接板43和第四接触板44；第二转接板41分别连接到第二接触板33和第三接触板42，第三接触板42通过第三转接板43连接到第四接触板44，第四接触板44连接到固定板7和第三回旋板5的一端；第二转接板41和第三转接板43互相平行，第三接触板42和第四接触板44互相平行且均垂直于第二转接板41。

第三回旋板5包括第四转接板54、第五接触板51、第五转接板52和第六接触板53；第四转接板54分别连接到第四接触板44和第五接触板51，第五接触板51通过第五转接板52连接到第六接触板53，第六接触板53连接到固定板7；第四转接板54和第五转接板52互相平行，第五接触板51和第六接触板53互相平行且均垂直于第四转接板54。

上述设置使得压电悬臂梁A的结构更加紧密，在同等条件下取得的振动效果更好，产生的电量也更加稳定，同时结构简单，便于生产。

其中，参照图2，本发明还包括金属基片8，压电悬臂梁A设置有两根，金属基片8通过导电胶紧贴设置在两根压电悬臂梁A之间，并联式设置的双压电悬臂梁A结构可增加输出总电荷，从而输出更多电能，导电胶的设置使得安装更为方便，生产效率更高；优选地，金属基片8为铜制基片，可增加压电悬臂梁A的柔韧性，其厚度为0.1mm。

其中，参照图1，本发明还包括用于固定压电悬臂梁A的固定底座6，固定底座6设置在固定板7之上，保证了压电悬臂梁A在振动时不会向外移动或飞出，整体上提高了本发明的稳定性。

以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种压电式振动能量采集器，其特征在于：包括压电悬臂梁(A)和质量块(2)，所述压电悬臂梁(A)包括振动板(1)、回旋结构和固定板(7)，所述的质量块(2)设置在振动板(1)上；所述的回旋结构的一端连接到振动板(1)，另一端连接到固定板(7)；所述的回旋结构与振动板(1)之间形成封闭槽(9)；所述的回旋结构包括第一回旋板(3)、第二回旋板(4)和第三回旋板(5)，所述第一回旋板(3)、第二回旋板(4)和第三回旋板(5)依次紧贴向外延伸设置；

所述第一回旋板(3)包括第一接触板(31)、第一转接板(32)和第二接触板(33)，所述第二回旋板(4)包括第二转接板(41)、第三接触板(42)、第三转接板(43)和第四接触板(44)，所述第三回旋板(5)包括第四转接板(54)、第五接触板(51)、第五转接板(52)和第六接触板(53)；

所述第一接触板(31)连接到振动板(1)且通过第一转接板(32)连接到第二接触板(33)，所述第二接触板(33)连接到第二转接板(41)；所述第一接触板(31)和第二接触板(33)互相平行且均垂直于第一转接板(32)；所述第二转接板(41)还连接到第三接触板(42)，所述第三接触板(42)通过第三转接板(43)连接到第四接触板(44)，所述第四接触板(44)连接到固定板(7)和第四转接板(54)；所述第二转接板(41)和第三转接板(43)互相平行，所述第三接触板(42)和第四接触板(44)互相平行且均垂直于第二转接板(41)；所述第四转接板(54)还连接到第五接触板(51)，所述第五接触板(51)通过第五转接板(52)连接到第六接触板(53)，所述第六接触板(53)连接到固定板(7)；所述第四转接板(54)和第五转接板(52)互相平行，所述第五接触板(51)和第六接触板(53)互相平行且均垂直于第四转接板(54)。

2.根据权利要求1所述的一种压电式振动能量采集器，其特征在于：还包括金属基片(8)，所述的压电悬臂梁(A)设置有两根，所述金属基片(8)通过导电胶紧贴设置在两根压电悬臂梁(A)之间。

3.根据权利要求1所述的一种压电式振动能量采集器，其特征在于：还包括用于固定压电悬臂梁(A)的固定底座(6)，所述固定底座(6)设置在固定板(7)之上。

4.根据权利要求2所述的一种压电式振动能量采集器，其特征在于：所述金属基片(8)为铜制基片。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种压电式振动能量采集器，其特征在于：所述质量块(2)为永磁铁。

6.根据权利要求1-4任一所述的一种压电式振动能量采集器，其特征在于：所述压电悬臂梁(A)为PZT压电陶瓷片。